JP5609950B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
この発明は、トレンチゲート構造を有するMIS(金属−絶縁膜−半導体)型半導体装置およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a MIS (metal-insulating film-semiconductor) type semiconductor device having a trench gate structure and a method for manufacturing the same.
図48は、従来のトレンチゲート構造を有するMIS型の電界効果トランジスタ(FET)の構成を示す断面図である。図48に示すように、従来の縦型のトレンチゲート型nチャネルMISFETでは、nドリフト領域1を挟んで、第1の主面側にpベース領域2、n+ソース領域3およびp+コンタクト領域4が形成されており、第2の主面側に、n+ドレイン領域5が形成されている。ゲート絶縁膜6およびゲート電極7は、第1の主面からpベース領域2を貫通してnドリフト領域1に達するトレンチ8内に形成されている。
FIG. 48 is a cross-sectional view showing the configuration of a MIS field effect transistor (FET) having a conventional trench gate structure. As shown in FIG. 48, in the conventional vertical trench gate type n-channel MISFET, the
ソース電極9は、n+ソース領域3およびp+コンタクト領域4に電気的に接続しているとともに、層間絶縁膜10によりゲート電極7から絶縁されている。また、ドレイン電極11は、n+ドレイン領域5に電気的に接続している。図48において、pベース領域2中の符号12で示す破線、およびnドリフト領域1中の符号13で示す破線は、それぞれMISFETがオフ状態のときの空乏層の端を示している。
図49は、図48のA−A’における電界強度分布を模式的に示す特性図である。図49の縦軸において、B1、B2およびB3は、それぞれ図48のA−A’におけるpベース領域2中の空乏層の端12(B1)、pベース領域2とnドリフト領域1のpn接合面14(B2)、およびnドリフト領域1中の空乏層の端13(B3)に対応している。MISFETの耐圧は、図49に示す特性図において、最大電界強度が臨界電界強度に達したときの電界分布の面積に相当する。
FIG. 49 is a characteristic diagram schematically showing the electric field intensity distribution along A-A ′ in FIG. 48. In the vertical axis of FIG. 49, B1, B2, and B3 are the depletion layer end 12 (B1) in the
ところで、ゲート−ドレイン間の容量を低減するために、トレンチの底に厚いSiO2を設けたMIS型半導体装置が公知である(例えば、特許文献1参照。)。また、nドレインドリフト領域に隣接してp型の不純物層を設けた超接合構造のMISFETにおいて、ゲート−ドレイン間の容量を低減するために、ゲート電極の下に酸化膜を設けたものが公知である(例えば、特許文献2参照。)。また、pn接合を形成するnドレインドリフト領域とpボディにまたがって、SiO2、Si3N4、Ta2O5、SrTiO3またはBaTiO3よりなるフィールド形成領域が設けられた半導体装置が公知である(例えば、特
許文献3参照。)。
By the way, in order to reduce the capacitance between the gate and the drain, a MIS type semiconductor device in which thick SiO 2 is provided at the bottom of the trench is known (for example, see Patent Document 1). In addition, in a MISFET having a super junction structure in which a p-type impurity layer is provided adjacent to the n drain drift region, an oxide film is provided under the gate electrode in order to reduce the gate-drain capacitance. (For example, refer to Patent Document 2). Also known is a semiconductor device in which a field forming region made of SiO 2 , Si 3 N 4 , Ta 2 O 5 , SrTiO 3 or BaTiO 3 is provided across the n drain drift region forming the pn junction and the p body. (For example, refer to Patent Document 3).
また、トレンチの下半部にSiO2を充填し、トレンチの上半部にゲート電極を設けた構造の半導体装置が公知である(例えば、特許文献4参照。)。また、ゲート電極の下にSiO2やSi3N4の誘電体層を設けるとともに、その誘電体に隣接してフィールドプレートを設けた構造のトランジスタが公知である(例えば、特許文献5参照。)。 Further, a semiconductor device having a structure in which SiO 2 is filled in the lower half of the trench and a gate electrode is provided in the upper half of the trench is known (see, for example, Patent Document 4). A transistor having a structure in which a dielectric layer of SiO 2 or Si 3 N 4 is provided under the gate electrode and a field plate is provided adjacent to the dielectric is known (see, for example, Patent Document 5). .
パワーMOS(金属−酸化膜−半導体)FETやIGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)等のMIS型パワー半導体装置では、低オン抵抗化が求められている。しかしながら、上記特許文献1に開示された半導体装置では、同文献より、トレンチ底の厚いSiO2がオン抵抗の低減に寄与しないことが明らかである。従って、Nエピタキシャル層(ドリフト領域)を伸長して低濃度化しても、オン抵抗全体に占めるNエピタキシャル層(ドリフト領域)の抵抗の割合が大きくなるため、トレンチゲート構造にしてゲート電極の数を増やしても、装置全体として充分な低オン抵抗化を達成することができないという問題点がある。
MIS power semiconductor devices such as power MOS (metal-oxide film-semiconductor) FETs and IGBTs (insulated gate bipolar transistors) are required to have low on-resistance. However, in the semiconductor device disclosed in
また、上記特許文献2に開示された半導体装置では、nドレインドリフト領域に隣接するp型不純物層を設けることによって低オン抵抗化を図っており、ゲート電極下の酸化膜は、オン抵抗の低減に寄与していない。nドレインドリフト領域とp型不純物層のキャリア数に不均衡が生じると、オフ状態のときに残留するキャリアによって空乏層が充分に広がらないため、耐圧が低下してしまう。所望される完全空乏化を実現するためには、nドレインドリフト領域とp型不純物層の不純物濃度を精密に制御する必要がある。
Further, in the semiconductor device disclosed in
また、上記特許文献3に開示された半導体装置では、フィールド形成領域がオン電流の流れない無効領域であるため、フィールド形成領域を設けることによって単位素子の幅が広くなり、集積化の妨げになるという問題点がある。また、この半導体装置を作製する際には、ゲート電極用のトレンチとそれよりも深いフィールド形成領域用のトレンチを近接して密に形成し、それらのトレンチを別々に埋める必要があるため、作製するのが非常に困難であるという問題点もある。
In the semiconductor device disclosed in
さらに、特許文献3には、ダイオード構造におけるシミュレーション結果(同文献のFIG.4)が開示されている。しかし、我々の研究によれば、特許文献3のFig.7に示された構造では、そのシミュレーション結果と同等の効果を得ることが困難である、ということが判明している。その困難である理由は、以下のとおりである。
Furthermore,
特許文献3のFig.3Aに示された構造では、同濃度のp領域とn領域によってpn接合が形成されているので、オフ状態のときにp領域とn領域の両方に空乏層が充分に広がる。それに対して、特許文献3のFig.7に示された構造では、高濃度のpボディと低濃度のnドレインドリフト領域によってpn接合が形成されているため、nドレインドリフト領域側にしか空乏層が広がらないからである。 FIG. In the structure shown in 3A, since the pn junction is formed by the p region and the n region having the same concentration, the depletion layer sufficiently spreads in both the p region and the n region in the off state. On the other hand, FIG. In the structure shown in FIG. 7, the pn junction is formed by the high-concentration p body and the low-concentration n drain drift region, so that the depletion layer spreads only on the n drain drift region side.
仮に、pボディ側に空乏層を無理に広げたとしても、空乏層がソース領域に達してしまうため、パンチスルーを起こしてしまう。これを避けるため、pボディ側を伸長して充分に空乏層を広げられる範囲を確保したとしても、pn接合のフィールド形成領域とは反対の面にあるゲート電極の周囲では、等電位面がnドレインドリフト領域側に押し込まれてしまうため、pボディ側の伸長に見合うだけの空乏層の広がりは望めない。逆に、ゲート電極周辺に電界が集中する箇所が生じてしまい、それが原因で耐圧が低下するという不具合や、pボディの伸長に伴ってチャネルが長くなり、それによってオン抵抗が増大するという不具合が生じる。 Even if the depletion layer is forcibly expanded on the p body side, punch-through occurs because the depletion layer reaches the source region. In order to avoid this, even if the range where the depletion layer can be sufficiently expanded by extending the p body side, the equipotential surface is n around the gate electrode on the surface opposite to the field formation region of the pn junction. Since it is pushed into the drain drift region side, it is not possible to expect the depletion layer to expand to match the extension on the p body side. On the contrary, there is a problem that the electric field concentrates around the gate electrode, which causes a breakdown voltage to decrease, and a problem that the channel becomes longer as the p body extends, thereby increasing the on-resistance. Occurs.
また、上記特許文献4に開示された半導体装置では、ソース−ドレイン間の耐圧を高くするためには、ドリフト層を厚くする必要がある。ドリフト層を厚くしてもオン抵抗を維持または低下させるためには、ゲート駆動電圧を、ソース−ドレイン間の耐圧と同等か、それ以上に高くする必要がある。また、上記特許文献5に開示された半導体装置では、フィールドプレートを設けるため、集積化の妨げになるという問題点がある。
Further, in the semiconductor device disclosed in
この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、ドリフト層の厚みを変えずに耐圧を確保でき、また高いゲート駆動電圧を印加しなくてもオン抵抗を低減できる半導体装置を提供することを目的とする。また、この発明は、そのような特性を有する半導体装置を容易に作製する製造方法を提供することを目的とする。 The present invention provides a semiconductor device that can secure a withstand voltage without changing the thickness of the drift layer and can reduce the on-resistance without applying a high gate drive voltage in order to eliminate the above-described problems caused by the prior art. For the purpose. Another object of the present invention is to provide a manufacturing method for easily manufacturing a semiconductor device having such characteristics.
上述した課題を解決し、目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置は、第1導電型のドリフト領域と、第2の主面との間に前記ドリフト領域を挟んで第1の主面側に形成された第2導電型のベース領域と、前記ベース領域の表面層に形成された第1導電型のソース領域と、前記第1の主面との間に前記ドリフト領域を挟んで前記第2の主面側に形成された第1導電型のドレイン領域と、前記ソース領域に接して前記第1の主面から前記ベース領域および前記ドリフト領域を貫通して前記ドレイン領域に達するトレンチと、前記トレンチ内の、前記ベース領域と前記ドリフト領域との接合面よりも前記第2の主面側に埋め込まれた高誘電体と、前記トレンチ内の、前記第1の主面と前記高誘電体との間に形成されたゲート絶縁膜およびゲート電極からなる絶縁ゲート構造と、を備え、前記高誘電体の比誘電率がシリコン酸化膜よりも大きく、前記高誘電体の、前記トレンチの内壁面に沿った外側部分の第1の高誘電体と、前記第1の高誘電体よりも内側部分の第2の高誘電体とは異なる比誘電率を有し、前記ゲート電極と前記高誘電体との接合面は、前記ドリフト領域と前記ドレイン領域との接合面よりも前記第1の主面側に位置することを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, a semiconductor device according to the present invention includes a first main surface sandwiching the drift region between a first conductivity type drift region and a second main surface. The drift region is sandwiched between the base region of the second conductivity type formed on the side, the source region of the first conductivity type formed in the surface layer of the base region, and the first main surface. A drain region of a first conductivity type formed on the second main surface side, and a trench reaching the drain region through the base region and the drift region from the first main surface in contact with the source region A high dielectric material embedded in the second main surface side of the junction surface between the base region and the drift region in the trench, and the first main surface and the high dielectric material in the trench. Gate insulating film formed between the body and An insulating gate structure comprising a gate electrode, wherein the high dielectric has a relative dielectric constant larger than that of the silicon oxide film, and a first high portion of an outer portion of the high dielectric along the inner wall surface of the trench is formed. a dielectric than said first high dielectric have a different dielectric constant than the second high dielectric the inner portion, the junction surface between the high dielectric and the gate electrode, said drift region It is characterized in that it is located closer to the first main surface than the junction surface with the drain region .
また、この発明にかかる半導体装置は、第1導電型のドリフト領域と、第2の主面との間に前記ドリフト領域を挟んで第1の主面側に形成された第2導電型のベース領域と、前記ベース領域の表面層に形成された第1導電型のソース領域と、前記第1の主面との間に前記ドリフト領域を挟んで前記第2の主面側に形成された第1導電型のドレイン領域と、前記ソース領域に接して前記第1の主面から前記ベース領域および前記ドリフト領域を貫通して前記ドレイン領域に達するトレンチと、前記トレンチ内の、前記ベース領域と前記ドリフト領域との接合面よりも前記第2の主面側に埋め込まれた高誘電体と、前記トレンチ内の、前記第1の主面と前記高誘電体との間に形成されたゲート絶縁膜およびゲート電極からなる絶縁ゲート構造と、を備え、前記高誘電体の比誘電率がシリコン窒化膜よりも大きく、前記高誘電体の、前記トレンチの内壁面に沿った外側部分の第1の高誘電体と、前記第1の高誘電体よりも内側部分の第2の高誘電体とは異なる比誘電率を有し、前記ゲート電極と前記高誘電体との接合面は、前記ドリフト領域と前記ドレイン領域との接合面よりも前記第1の主面側に位置することを特徴とする。
The semiconductor device according to the present invention includes a second conductivity type base formed on the first main surface side with the drift region interposed between the first conductivity type drift region and the second main surface. A first conductive type source region formed on the surface layer of the base region, and a first main surface formed between the first main surface and the drift region between the first main surface and the first main surface. A drain region of one conductivity type; a trench that is in contact with the source region and extends from the first main surface through the base region and the drift region to the drain region; and the base region in the trench and the base region A high dielectric embedded on the second main surface side of the junction surface with the drift region, and a gate insulating film formed between the first main surface and the high dielectric in the trench And an insulated gate structure comprising a gate electrode; A dielectric constant of the high dielectric material is larger than that of the silicon nitride film; and a first high dielectric material of the high dielectric material at an outer portion along an inner wall surface of the trench, and the first high dielectric material. It has a different dielectric constant than the second high dielectric in the inner portion than the bonding surface between the gate electrode and the high dielectric, the first than the junction surface between the drift region and the
また、この発明にかかる半導体装置は、第1導電型のドリフト領域と、第2の主面との間に前記ドリフト領域を挟んで第1の主面側に形成された第2導電型のベース領域と、前記ベース領域の表面層に形成された第1導電型のエミッタ領域と、前記第1の主面との間に前記ドリフト領域を挟んで前記第2の主面側に形成された第2導電型のコレクタ領域と、前記エミッタ領域に接して前記第1の主面から前記ベース領域および前記ドリフト領域を貫通して前記コレクタ領域に達するトレンチと、前記トレンチ内の、前記ベース領域と前記ドリフト領域との接合面よりも前記第2の主面側に埋め込まれた高誘電体と、前記トレンチ内の、前記第1の主面と前記高誘電体との間に形成されたゲート絶縁膜およびゲート電極からなる絶縁ゲート構造と、を備え、前記高誘電体の比誘電率がシリコン酸化膜よりも大きく、前記高誘電体の、前記トレンチの内壁面に沿った外側部分の第1の高誘電体と、前記第1の高誘電体よりも内側部分の第2の高誘電体とは異なる比誘電率を有し、前記ゲート電極と前記高誘電体との接合面は、前記ドリフト領域と前記コレクタ領域との接合面よりも前記第1の主面側に位置することを特徴とする。 The semiconductor device according to the present invention includes a second conductivity type base formed on the first main surface side with the drift region interposed between the first conductivity type drift region and the second main surface. A first conductive type emitter region formed on the surface layer of the base region, and a first main surface formed on the second main surface side with the drift region interposed between the first main surface and the first main surface. A collector region of two conductivity types, a trench that contacts the emitter region and penetrates the base region and the drift region from the first main surface to the collector region , and the base region and the base in the trench A high dielectric embedded on the second main surface side of the junction surface with the drift region, and a gate insulating film formed between the first main surface and the high dielectric in the trench Gate structure comprising a gate electrode The dielectric constant of the high dielectric material is larger than that of the silicon oxide film, and the first high dielectric material in the outer portion along the inner wall surface of the trench of the high dielectric material, and the first high dielectric material, than the dielectric have a different dielectric constant than the second high dielectric the inner portion, the junction surface between the high dielectric and the gate electrode, than the junction surface between the drift region and the collector region It is located on the first main surface side .
また、この発明にかかる半導体装置は、第1導電型のドリフト領域と、第2の主面との間に前記ドリフト領域を挟んで第1の主面側に形成された第2導電型のベース領域と、前記ベース領域の表面層に形成された第1導電型のエミッタ領域と、前記第1の主面との間に前記ドリフト領域を挟んで前記第2の主面側に形成された第2導電型のコレクタ領域と、前記エミッタ領域に接して前記第1の主面から前記ベース領域および前記ドリフト領域を貫通して前記コレクタ領域に達するトレンチと、前記トレンチ内の、前記ベース領域と前記ドリフト領域との接合面よりも前記第2の主面側に埋め込まれた高誘電体と、前記トレンチ内の、前記第1の主面と前記高誘電体との間に形成されたゲート絶縁膜およびゲート電極からなる絶縁ゲート構造と、を備え、前記高誘電体の比誘電率がシリコン窒化膜よりも大きく、前記高誘電体の、前記トレンチの内壁面に沿った外側部分の第1の高誘電体と、前記第1の高誘電体よりも内側部分の第2の高誘電体とは異なる比誘電率を有し、前記ゲート電極と前記高誘電体との接合面は、前記ドリフト領域と前記コレクタ領域との接合面よりも前記第1の主面側に位置することを特徴とする。 The semiconductor device according to the present invention includes a second conductivity type base formed on the first main surface side with the drift region interposed between the first conductivity type drift region and the second main surface. A first conductive type emitter region formed on the surface layer of the base region, and a first main surface formed on the second main surface side with the drift region interposed between the first main surface and the first main surface. A collector region of two conductivity types, a trench that contacts the emitter region and penetrates the base region and the drift region from the first main surface to the collector region , and the base region and the base in the trench A high dielectric embedded on the second main surface side of the junction surface with the drift region, and a gate insulating film formed between the first main surface and the high dielectric in the trench Gate structure comprising a gate electrode A dielectric constant of the high dielectric material is larger than that of the silicon nitride film, and a first high dielectric material in an outer portion along an inner wall surface of the trench of the high dielectric material, and the first high dielectric material, than the dielectric have a different dielectric constant than the second high dielectric the inner portion, the junction surface between the high dielectric and the gate electrode, than the junction surface between the drift region and the collector region It is located on the first main surface side .
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記高誘電体が前記ドレイン領域に接することを特徴とする。また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記高誘電体が前記コレクタ領域に接することを特徴とする。また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記高誘電体の最も深い部分が、オフ状態のときに前記ドリフト領域中に広がる空乏層の端よりも深いことを特徴とする。また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記高誘電体が前記ゲート電極に接することを特徴とする。 In the semiconductor device according to the present invention as set forth in the invention described above, the high dielectric is in contact with the drain region. In the semiconductor device according to the present invention, the high dielectric is in contact with the collector region in the above-described invention. The semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above-described invention, the deepest portion of the high dielectric is deeper than an end of the depletion layer extending in the drift region in the off state. In the semiconductor device according to the present invention, the high dielectric is in contact with the gate electrode in the above-described invention.
また、この発明にかかる半導体装置は、第1導電型のドリフト領域と、第2の主面との間に前記ドリフト領域を挟んで第1の主面側に形成された第2導電型のベース領域と、前記ベース領域の表面層に形成された第1導電型のソース領域と、前記第1の主面との間に前記ドリフト領域を挟んで前記第2の主面側に形成された第1導電型のドレイン領域と、前記ソース領域に接して前記第1の主面から前記ベース領域および前記ドリフト領域を貫通して前記ドレイン領域に達するトレンチと、前記トレンチ内の、前記ベース領域と前記ドリフト領域との接合面よりも前記第2の主面側に埋め込まれた複数の高誘電体と、前記トレンチ内の、前記第1の主面と前記複数の高誘電体のうちの最も前記第1の主面側の位置に設けられた高誘電体との間に形成されたゲート絶縁膜およびゲート電極からなる絶縁ゲート構造と、を備え、前記複数の高誘電体のうちの少なくとも1つの比誘電率がシリコン酸化膜よりも大きく、前記複数の高誘電体のうち、前記トレンチの内壁面に沿った外側部分の第1の高誘電体と、前記第1の高誘電体よりも内側部分の第2の高誘電体とは異なる比誘電率を有し、前記ゲート電極と前記複数の高誘電体のうちの最も前記第1の主面側の位置に設けられた高誘電体との接合面は、前記ドリフト領域と前記ドレイン領域との接合面よりも前記第1の主面側に位置することを特徴とする。 The semiconductor device according to the present invention includes a second conductivity type base formed on the first main surface side with the drift region interposed between the first conductivity type drift region and the second main surface. A first conductive type source region formed on the surface layer of the base region, and a first main surface formed between the first main surface and the drift region between the first main surface and the first main surface. A drain region of one conductivity type; a trench that is in contact with the source region and extends from the first main surface through the base region and the drift region to the drain region; and the base region in the trench and the base region A plurality of high dielectrics embedded on the second main surface side of the junction surface with the drift region; and the first main surface and the plurality of high dielectrics in the trench. Between the high dielectric provided at the position of the main surface of 1 An insulating gate structure including a formed gate insulating film and a gate electrode, wherein a relative dielectric constant of at least one of the plurality of high dielectrics is larger than that of the silicon oxide film, a first high dielectric outer portion along the inner wall surface of the trench, have a different dielectric constant than the second high dielectric of the inner portion than the first high dielectric, the gate The bonding surface between the electrode and the high dielectric provided at the position closest to the first main surface among the plurality of high dielectrics is more than the first bonding surface between the drift region and the drain region. It is located in the main surface side of this.
また、この発明にかかる半導体装置は、第1導電型のドリフト領域と、第2の主面との間に前記ドリフト領域を挟んで第1の主面側に形成された第2導電型のベース領域と、前記ベース領域の表面層に形成された第1導電型のソース領域と、前記第1の主面との間に前記ドリフト領域を挟んで前記第2の主面側に形成された第1導電型のドレイン領域と、前記ソース領域に接して前記第1の主面から前記ベース領域および前記ドリフト領域を貫通して前記ドレイン領域に達するトレンチと、前記トレンチ内の、前記ベース領域と前記ドリフト領域との接合面よりも前記第2の主面側に埋め込まれた複数の高誘電体と、前記トレンチ内の、前記第1の主面と前記複数の高誘電体のうちの最も前記第1の主面側の位置に設けられた高誘電体との間に形成されたゲート絶縁膜およびゲート電極からなる絶縁ゲート構造と、を備え、前記複数の高誘電体のうちの少なくとも1つの比誘電率がシリコン窒化膜よりも大きく、前記複数の高誘電体のうち、前記トレンチの内壁面に沿った外側部分の第1の高誘電体と、前記第1の高誘電体よりも内側部分の第2の高誘電体とは異なる比誘電率を有し、前記ゲート電極と前記複数の高誘電体のうちの最も前記第1の主面側の位置に設けられた高誘電体との接合面は、前記ドリフト領域と前記ドレイン領域との接合面よりも前記第1の主面側に位置することを特徴とする。 The semiconductor device according to the present invention includes a second conductivity type base formed on the first main surface side with the drift region interposed between the first conductivity type drift region and the second main surface. A first conductive type source region formed on the surface layer of the base region, and a first main surface formed between the first main surface and the drift region between the first main surface and the first main surface. A drain region of one conductivity type; a trench that is in contact with the source region and extends from the first main surface through the base region and the drift region to the drain region; and the base region in the trench and the base region A plurality of high dielectrics embedded on the second main surface side of the junction surface with the drift region; and the first main surface and the plurality of high dielectrics in the trench. Between the high dielectric provided at the position of the main surface of 1 An insulating gate structure including a formed gate insulating film and a gate electrode, wherein a relative dielectric constant of at least one of the plurality of high dielectrics is larger than that of the silicon nitride film, a first high dielectric outer portion along the inner wall surface of the trench, have a different dielectric constant than the second high dielectric of the inner portion than the first high dielectric, the gate The bonding surface between the electrode and the high dielectric provided at the position closest to the first main surface among the plurality of high dielectrics is more than the first bonding surface between the drift region and the drain region. It is located in the main surface side of this.
また、この発明にかかる半導体装置は、第1導電型のドリフト領域と、第2の主面との間に前記ドリフト領域を挟んで第1の主面側に形成された第2導電型のベース領域と、前記ベース領域の表面層に形成された第1導電型のエミッタ領域と、前記第1の主面との間に前記ドリフト領域を挟んで前記第2の主面側に形成された第2導電型のコレクタ領域と、前記エミッタ領域に接して前記第1の主面から前記ベース領域および前記ドリフト領域を貫通して前記コレクタ領域に達するトレンチと、前記トレンチ内の、前記ベース領域と前記ドリフト領域との接合面よりも前記第2の主面側に埋め込まれた複数の高誘電体と、前記トレンチ内の、前記第1の主面と前記複数の高誘電体のうちの最も前記第1の主面側の位置に設けられた高誘電体との間に形成されたゲート絶縁膜およびゲート電極からなる絶縁ゲート構造と、を備え、前記複数の高誘電体のうちの少なくとも1つの比誘電率がシリコン酸化膜よりも大きく、前記複数の高誘電体のうち、前記トレンチの内壁面に沿った外側部分の第1の高誘電体と、前記第1の高誘電体よりも内側部分の第2の高誘電体とは異なる比誘電率を有し、前記ゲート電極と前記複数の高誘電体のうちの最も前記第1の主面側の位置に設けられた高誘電体との接合面は、前記ドリフト領域と前記コレクタ領域との接合面よりも前記第1の主面側に位置することを特徴とする。 The semiconductor device according to the present invention includes a second conductivity type base formed on the first main surface side with the drift region interposed between the first conductivity type drift region and the second main surface. A first conductive type emitter region formed on the surface layer of the base region, and a first main surface formed on the second main surface side with the drift region interposed between the first main surface and the first main surface. A collector region of two conductivity types, a trench that contacts the emitter region and penetrates the base region and the drift region from the first main surface to the collector region , and the base region and the base in the trench A plurality of high dielectrics embedded on the second main surface side of the junction surface with the drift region; and the first main surface and the plurality of high dielectrics in the trench. A high dielectric provided at a position on the main surface side of An insulating gate structure comprising a gate insulating film and a gate electrode formed therebetween, wherein at least one of the plurality of high dielectrics has a relative dielectric constant larger than that of the silicon oxide film, and the plurality of high dielectrics of, it has a different dielectric constant than the second high dielectric of the first high dielectric and said first inner portion than the high dielectric outer portion along the inner wall surface of the trench, The bonding surface between the gate electrode and the high dielectric provided at the position closest to the first main surface among the plurality of high dielectrics is more than the bonding surface between the drift region and the collector region. It is located on the first main surface side .
また、この発明にかかる半導体装置は、第1導電型のドリフト領域と、第2の主面との間に前記ドリフト領域を挟んで第1の主面側に形成された第2導電型のベース領域と、前記ベース領域の表面層に形成された第1導電型のエミッタ領域と、前記第1の主面との間に前記ドリフト領域を挟んで前記第2の主面側に形成された第2導電型のコレクタ領域と、前記エミッタ領域に接して前記第1の主面から前記ベース領域および前記ドリフト領域を貫通して前記コレクタ領域に達するトレンチと、前記トレンチ内の、前記ベース領域と前記ドリフト領域との接合面よりも前記第2の主面側に埋め込まれた複数の高誘電体と、前記トレンチ内の、前記第1の主面と前記複数の高誘電体のうちの最も前記第1の主面側の位置に設けられた高誘電体との間に形成されたゲート絶縁膜およびゲート電極からなる絶縁ゲート構造と、を備え、前記複数の高誘電体のうちの少なくとも1つの比誘電率がシリコン窒化膜よりも大きく、前記複数の高誘電体のうち、前記トレンチの内壁面に沿った外側部分の第1の高誘電体と、前記第1の高誘電体よりも内側部分の第2の高誘電体とは異なる比誘電率を有し、前記ゲート電極と前記複数の高誘電体のうちの最も前記第1の主面側の位置に設けられた高誘電体との接合面は、前記ドリフト領域と前記コレクタ領域との接合面よりも前記第1の主面側に位置することを特徴とする。 The semiconductor device according to the present invention includes a second conductivity type base formed on the first main surface side with the drift region interposed between the first conductivity type drift region and the second main surface. A first conductive type emitter region formed on the surface layer of the base region, and a first main surface formed on the second main surface side with the drift region interposed between the first main surface and the first main surface. A collector region of two conductivity types, a trench that contacts the emitter region and penetrates the base region and the drift region from the first main surface to the collector region , and the base region and the base in the trench A plurality of high dielectrics embedded on the second main surface side of the junction surface with the drift region; and the first main surface and the plurality of high dielectrics in the trench. A high dielectric provided at a position on the main surface side of An insulating gate structure including a gate insulating film and a gate electrode formed therebetween, wherein at least one of the plurality of high dielectrics has a relative dielectric constant larger than that of the silicon nitride film, and the plurality of high dielectrics of, it has a different dielectric constant than the second high dielectric of the first high dielectric and said first inner portion than the high dielectric outer portion along the inner wall surface of the trench, The bonding surface between the gate electrode and the high dielectric provided at the position closest to the first main surface among the plurality of high dielectrics is more than the bonding surface between the drift region and the collector region. It is located on the first main surface side .
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記複数の高誘電体のうちの1つが前記ドレイン領域に接することを特徴とする。また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記複数の高誘電体のうちの1つが前記コレクタ領域に接することを特徴とする。また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記複数の高誘電体のうちの1つが前記ゲート電極に接することを特徴とする。また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記複数の高誘電体のうちの1つがシリコン酸化膜であることを特徴とする。また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記複数の高誘電体のうちの最も深い位置に設けられた高誘電体の最も深い部分が、オフ状態のときに前記ドリフト領域中に広がる空乏層の端よりも深いことを特徴とする。 The semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above-described invention, one of the plurality of high dielectrics is in contact with the drain region. The semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above-described invention, one of the plurality of high dielectrics is in contact with the collector region. The semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above-described invention, one of the plurality of high dielectrics is in contact with the gate electrode. The semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above-described invention, one of the plurality of high dielectrics is a silicon oxide film. In the semiconductor device according to the present invention, the deepest portion of the high dielectric provided in the deepest position among the plurality of high dielectrics is in the drift region when the deepest portion is in the off state. It is characterized by being deeper than the edge of the spreading depletion layer.
また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した半導体装置を製造する方法であって、第1導電型のドリフト領域となる第1導電型の第1の半導体層の上に、第2導電型のベース領域となる第2導電型の第2の半導体層が設けられており、該第2の半導体層の表面から該第2の半導体層および前記第1の半導体層を貫通するトレンチを形成するトレンチ形成工程と、前記トレンチの内壁面を被う第1の高誘電体を形成する第1の高誘電体形成工程と、前記トレンチ内の、前記第1の高誘電体の内側部分の、前記ベース領域と前記ドリフト領域との接合面よりも前記第2の主面側を第2の高誘電体で埋める第2の高誘電体形成工程と、前記トレンチ内の、前記第1の高誘電体の内側部分の前記第2の高誘電体上にゲート電極を埋めるゲート電極形成工程と、を含むことを特徴とする。また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記ゲート電極形成工程は、不純物をドーピングしながら前記第2の高誘電体で埋めることによりゲート電極を形成することを特徴とする。 The semiconductor device manufacturing method according to the present invention is a method for manufacturing the above-described semiconductor device, wherein the second conductivity type is formed on the first conductivity type first semiconductor layer serving as the first conductivity type drift region. a second semiconductor layer of a second conductivity type serving as a conductivity type of the base region are provided, that pass transmembrane the semiconductor layer and the first semiconductor layer of the second from the surface of the second semiconductor layer trench Forming a trench, forming a first high dielectric covering the inner wall surface of the trench, and forming an inner portion of the first high dielectric in the trench A second high-dielectric formation step of filling the second main surface side with a second high-dielectric material with respect to the junction surface between the base region and the drift region, and the first high-dielectric formation step in the trench. A gate electrode is embedded on the second high dielectric in the inner part of the high dielectric It characterized in that it comprises a chromatography gate electrode forming step. The method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above-described invention, the gate electrode forming step forms the gate electrode by filling with the second high dielectric while doping impurities. To do.
上述した発明によれば、ゲート電極下の高誘電体領域による分極電荷の影響を受けて、オフ状態において最大電界強度が臨界電界強度に達したときの電界分布の形状が三角形状(図49参照)から矩形状(図2参照)に近づく。その分、電界分布の面積が大きくなり、この面積が耐圧に相当するので、耐圧が向上する。従って、ドリフト領域の不純物濃度が従来と同じであっても、より高い耐圧が得られることになる。つまり、従来と同じ耐圧クラスの場合には、オン抵抗が低減される。また、従来、ゲート電極の下にシリコン窒化膜よりも比誘電率の高い高誘電体を埋め込むことは容易ではなかったが、上述した発明によれば、トレンチ内の下半部に高誘電体が埋め込まれ、同じトレンチ内の上半部にゲート電極が形成される。 According to the above-described invention, the shape of the electric field distribution when the maximum electric field strength reaches the critical electric field strength in the off state due to the influence of the polarization charge by the high dielectric region under the gate electrode is a triangular shape (see FIG. 49). ) Approaches a rectangular shape (see FIG. 2). Accordingly, the area of the electric field distribution is increased, and this area corresponds to the breakdown voltage, so that the breakdown voltage is improved. Therefore, even if the impurity concentration in the drift region is the same as the conventional one, a higher breakdown voltage can be obtained. That is, in the case of the same withstand voltage class as in the conventional case, the on-resistance is reduced. Conventionally, it has not been easy to embed a high dielectric having a relative dielectric constant higher than that of the silicon nitride film under the gate electrode. However, according to the above-described invention, the high dielectric is formed in the lower half of the trench. A gate electrode is formed in the upper half of the same trench.
本発明にかかる半導体装置およびその製造方法によれば、ドリフト層の厚みを変えずに耐圧を確保できるとともに、高いゲート駆動電圧を印加しなくても、オン抵抗を低減できる。また、本発明にかかる半導体装置の製造方法によれば、そのような特性を有する半導体装置を容易に作製することができる。 According to the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the present invention, the withstand voltage can be secured without changing the thickness of the drift layer, and the on-resistance can be reduced without applying a high gate drive voltage. In addition, according to the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, a semiconductor device having such characteristics can be easily manufactured.
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体装置およびその製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。本明細書および添付図面においては、nまたはpを冠記した層や領域では、それぞれ電子または正孔が多数キャリアであることを意味する。また、nやpに付す+は、それが付されていない層や領域よりも高不純物濃度であることを意味する。なお、以下の実施の形態の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。 Exemplary embodiments of a semiconductor device and a method for manufacturing the same according to the present invention will be explained below in detail with reference to the accompanying drawings. In the present specification and the accompanying drawings, it means that electrons or holes are majority carriers in layers and regions with n or p, respectively. Further, + attached to n or p means that the impurity concentration is higher than that of a layer or region where it is not attached. Note that, in the following description of the embodiments and the accompanying drawings, the same reference numerals are given to the same components, and duplicate descriptions are omitted.
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1にかかるトレンチゲート型MISFETの構成を示す断面図である。なお、図1には、半導体装置の主要部のハーフセルが示されている。実際の半導体装置の全体構成は、図1に示すハーフセルの構成がその両端をそれぞれ線対称の軸として連続する構成となる(図14においても同じ)。
1 is a cross-sectional view showing a configuration of a trench gate type MISFET according to a first embodiment of the present invention. FIG. 1 shows a half cell of the main part of the semiconductor device. The actual overall configuration of the semiconductor device is a configuration in which the configuration of the half cell shown in FIG. 1 is continuous with both ends thereof as axes of line symmetry (the same applies to FIG. 14).
図1に示すように、実施の形態1にかかる縦型のトレンチゲート型nチャネルMISFETでは、nドリフト領域21を挟んで、第1の主面側にpベース領域22が形成され、第2の主面側に、n+ドレイン領域25が形成されている。n+ソース領域23およびp+コンタクト領域24は、pベース領域22の表面層に互いに隣接して形成されている。
As shown in FIG. 1, in the vertical trench gate type n-channel MISFET according to the first embodiment,
トレンチ28は、n+ソース領域23に隣接して、第1の主面からpベース領域22およびnドリフト領域21を貫通してn+ドレイン領域25に達している。このトレンチ28の下半部、詳細には、pベース領域22とnドリフト領域21からなるpn接合面34よりも下側の領域は、高誘電体35により充填されている。高誘電体35の比誘電率は、シリコン酸化膜(SiO2、比誘電率:3.9)よりも高い。
The
例えば、高誘電体35として、シリコン窒化膜(Si3N4、比誘電率:〜7)、Al2O3(比誘電率:8.5〜10)、シリケイト(ZrAlxOy、比誘電率:10〜20)、アルミネート(HfAlxOy、比誘電率:10〜20)、ZrO2(比誘電率:11〜18.5)、HfO2(比誘電率:24)、Ta2O5(比誘電率:〜25)、La2O3(比誘電率:27)、CoTiO3(比誘電率:40)、SrTiO3(比誘電率:300)またはBaTiO3(比誘電率:〜5000)などが挙げられるが、これらに制限されるものではない。好ましくは、高誘電体35は、シリコン窒化膜よりも比誘電率が高い物質の方がよい。
For example, as the
ゲート絶縁膜26は、トレンチ28の、pベース領域22に接する部分の側壁面に沿って設けられている。トレンチ28内の、ゲート絶縁膜26の内側部分は、ゲート電極27により埋められている。ゲート電極27は、高誘電体35に接している。なお、高誘電体35は、ゲート電極27やn+ドレイン領域25に接していなくてもよいが、高誘電体35がゲート電極27およびn+ドレイン領域25の一方または両方に接していれば、その部分の電位が固定されるので、高誘電体35中、ひいてはnドリフト領域21中の電位分布、すなわち電界分布が安定するので、好ましい。
The
ソース電極29は、n+ソース領域23およびp+コンタクト領域24に電気的に接続している。また、ソース電極29は、層間絶縁膜30によりゲート電極27から絶縁されている。また、ドレイン電極31は、n+ドレイン領域25に電気的に接続している。図1において、pベース領域22中の符号32で示す破線、およびnドリフト領域21中の符号33で示す破線は、それぞれMISFETがオフ状態のときの空乏層の端を示している。
高誘電体35が設けられていることによって、オフ状態においては、分極電荷が支配的に電界分布を決めているような状況となるので、図1に示すように、空乏層は、高誘電体35の近くで下方、すなわち高誘電体35の下端側へ引っ張られるように伸びる。そのため、高誘電体35から遠い半導体領域での空乏層の深さ(d1)と、高誘電体35の最も深い部分の深さ(d2)を比較すると、d2がd1よりも深くなるような設計となる。
Since the
このような設計になっていれば、d2は、高誘電体35の最も深い部分がnドリフト領域21中にとどまるような深さであってもよい。ただし、オン抵抗を低減するためには、ドリフト領域を短縮するのが効果的であるので、図1に示すように、高誘電体35の最も深い部分がn+ドレイン領域25に達しているのがよい。
If it is such a design, d 2 may be deep enough that the deepest portion of the
なお、d2がd1よりも浅い設計としても構わない。その場合、同じ耐圧(同じd1)で比べると、nドリフト領域21の高誘電体35側壁に面している部分の長さが短くなるので、寄生容量低減によるゲートチャージ特性の改善が期待できる。また、(d1―d2)/d1≦0.1の時は、nドリフト領域21の高誘電体35に面していない厚み(d1―d2)の部分がバッファ層としての役割を果たすためd2がd1よりも深い場合よりも耐圧上昇があり、また厚み(d1―d2)分だけnドリフト領域21の幅が広がるためRonA[Ω・cm2]は若干低下し、耐圧とRonAとのトレードオフが改善する。ただし、(d1―d2)/d1>0.1の場合は、トレンチ28コーナー部のnドリフト領域21と高誘電体35との界面で電界集中が起き、比率(d2/d1)低下に比例して耐圧が劣化するので好ましくない。
Note that d 2 may be designed to be shallower than d 1 . In that case, compared with the same breakdown voltage (same d 1 ), the length of the portion of the
図2は、図1のC−C’における電界強度分布を模式的に示す特性図である。図2の縦軸において、E1、E2およびE3は、それぞれ図1のC−C’におけるpベース領域22中の空乏層の端32(E1)、pベース領域22とnドリフト領域21のpn接合面34(E2)、およびnドリフト領域21中の空乏層の端33(E3)に対応している。図2に示すように、最大電界強度が臨界電界強度に達したときの電界分布の形状は、矩形状に近づく。従って、最大電界強度が臨界電界強度に達したときの電界分布の面積(耐圧に相当する)が従来(図49参照)よりも大きくなるので、従来よりも耐圧が向上する。
FIG. 2 is a characteristic diagram schematically showing the electric field intensity distribution at C-C ′ in FIG. 1. 2, E1, E2, and E3 are the depletion layer end 32 (E1) in the
また、M.Bhatnagarらによる「Analysis of silicon carbide power device performance」(Proc. ISPSD(1991)、p.176−180)によれば、オン抵抗のいわゆるシリコン極限は、耐圧をVb[V]とすると、次式で与えられる。なお、Ron[Ω]は、オン抵抗、A[cm2]は、チップ表面積である。
RonA=5.93×10-9・Vb2.5[Ω・cm2]
In addition, M.M. According to “Analysis of silicon carbide power device performance” by Bhatnagar et al. (Proc. ISPSD (1991), p. 176-180), the so-called silicon limit of on-resistance is given by the following equation: Given. Note that Ron [Ω] is an on-resistance, and A [cm 2 ] is a chip surface area.
RonA = 5.93 × 10 −9 · Vb 2.5 [Ω · cm 2 ]
高誘電体35として、比誘電率の高い物質を用いると、オン抵抗がシリコン極限を下回ることもある。オン抵抗がシリコン極限を下回る場合には、特許文献5に開示された半導体装置のようにフィールドプレートを設ける必要がないので、より小型の半導体装置が得られる。また、特許文献4に開示された半導体装置のように、高いゲート駆動電圧を印加する必要もない。
When a material having a high relative dielectric constant is used as the
次に、図1に示す構成のMISFETの特性についてシミュレーションを行った結果について説明する。図3は、このシミュレーションに用いたMISFETのハーフセルを示す断面図である。なお、図3では、高誘電体35がトレンチ28の側壁面および底面に沿う外側部分と、その内側に充填された内側部分の二重構造になっているが、外側部分も内側部分も同じ物質でできており、実質的に一体となっている。つまり、図3に示す構成は、図1に示す構成と同じになっている。
Next, a description will be given of the result of simulation of the characteristics of the MISFET configured as shown in FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view showing a half cell of the MISFET used in this simulation. In FIG. 3, the
耐圧クラスは、60Vである。図3に示すように、第1の主面からpn接合面34までの深さXj1、pn接合面34からnドリフト領域21とn+ドレイン領域25の界面までの深さXj2、nドリフト領域21とn+ドレイン領域25の界面から第2の主面までの深さ、すなわちn+ドレイン領域25の厚さXjNは、それぞれ、0.8μm、3.1μmおよび0.1μmである。また、第1の主面からトレンチ28の底(高誘電体35の最も深い部分)までの深さDtは、3.9μmである。また、ゲート絶縁膜26の厚さは、500オングストロームである。ゲート電極27は、ドープトポリシリコンである。pベース領域22の不純物濃度は、2×1017cm-3である。
The breakdown voltage class is 60V. As shown in FIG. 3, the depth Xj1 from the first main surface to the
図4は、高誘電体の比誘電率εrとオン抵抗RonAとの関係のシミュレーション結果を示す特性図である。図4において、特性図を横切る粗い破線は、シリコン極限であり、比誘電率εrが1000よりも大きい範囲の細かい破線は、1000以下の範囲の線を外挿したものである。なお、図4に示すシミュレーション結果は、nドリフト領域21の濃度を調節して耐圧を60Vに設定したときの結果である。図4から、耐圧クラスが60Vである場合には、高誘電体35の比誘電率がおよそ40以上であれば、シリコン極限を下回ることがわかる。従って、この耐圧クラスの場合には、より好ましくは、高誘電体35の比誘電率が40以上であるのがよい。例えば、高誘電体35として、CoTiO3やSrTiO3やBaTiO3などが適当である。
FIG. 4 is a characteristic diagram showing a simulation result of the relationship between the relative dielectric constant εr of the high dielectric and the on-resistance RonA. In FIG. 4, a rough broken line across the characteristic diagram is the silicon limit, and a fine broken line in the range where the relative dielectric constant εr is larger than 1000 is obtained by extrapolating a line in the range of 1000 or less. The simulation result shown in FIG. 4 is a result when the withstand voltage is set to 60 V by adjusting the concentration of the
図5は、高誘電体の比誘電率εrとオン抵抗RonAおよび耐圧BVとの関係のシミュレーション結果を示す特性図である。なお、図5に示すシミュレーション結果は、nドリフト領域21の濃度を2×1016cm-3とし、ゲート−ソース間電圧を10Vとし、ドレイン−ソース間電圧を0.1Vに設定したときの結果である(図6〜図13に示すシミュレーション結果においても同じ)。図5から、高誘電体35の比誘電率εrを高くすることによって、耐圧を増大させることができるとともに、オン抵抗RonAを低減させることができることがわかる。従って、nドリフト領域21の厚みや濃度およびゲート駆動電圧が従来と同じであっても、耐圧の増大とオン抵抗RonAの低減を実現することができる。
FIG. 5 is a characteristic diagram showing a simulation result of the relationship between the relative dielectric constant εr of the high dielectric material, the on-resistance RonA, and the breakdown voltage BV. The simulation results shown in FIG. 5 are the results when the concentration of the
図6は、高誘電体の比誘電率εrと電界分布との関係のシミュレーション結果を示す特性図である。なお、図6において、E4、E2およびE5は、それぞれ図3の第1の主面(E4)、pベース領域22とnドリフト領域21のpn接合面34(E2)、および第2の主面(E5)に対応している。以下、第1の主面および第2の主面を、それぞれ、基板表面および基板裏面とする。図6から、高誘電体35の比誘電率εrを高くすることによって、pn接合面34(E2)の近傍のH部での電界が緩和し、また、電界強度分布がトレンチ深さ方向に均一に近づくことがわかる。つまり、図2を参照しながら説明したように、比誘電率εrが高くなると電界分布の形状が矩形状に近づき、電界分布の面積が増えるので、従来よりも耐圧が向上する。オン状態の場合も同様の理由により、比誘電率εrが高くなるとドレイン−ソース間の電位勾配が緩和されるので、オン抵抗RonAが低くなる。
FIG. 6 is a characteristic diagram showing a simulation result of the relationship between the relative dielectric constant εr of the high dielectric material and the electric field distribution. In FIG. 6, E4, E2, and E5 are the first main surface (E4), the pn junction surface 34 (E2) of the
図7、図8、図9、図10、図11、図12および図13は、それぞれ、比誘電率εrを1、3.9、7、12、40、100および300に設定したときのMISFET内のポテンシャルのシミュレーション結果を示す断面図である。各図は、ソース電極とドレイン電極間に耐圧BVを印加した場合の電位分布を示しており、nドリフト領域21およびpベース領域22において等電位線40の両端が空乏層の両端である。図7〜図13から、高誘電体35の比誘電率εrが高くなるのに伴って、空乏層がトレンチ28の深さ方向により広がることがわかる。従って、nドリフト領域21の厚みや濃度が従来と同じであっても、耐圧が向上することがわかる。また、オン状態のときには、ドレイン−ソース間の電位勾配が緩和されて、オン抵抗RonAが低くなることがわかる。
7, 8, 9, 10, 11, 12, and 13 are MISFETs when the relative dielectric constant εr is set to 1, 3.9, 7, 12, 40, 100, and 300, respectively. It is sectional drawing which shows the simulation result of the inside potential. Each figure shows a potential distribution when a withstand voltage BV is applied between the source electrode and the drain electrode. In the
実施の形態2.
図14は、この発明の実施の形態2にかかるトレンチゲート型MISFETのハーフセルの構成を示す断面図である。図14に示すように、実施の形態2にかかるMISFETが実施の形態1と異なるのは、ゲート電極27の下に埋め込まれた高誘電体35が外側部分の高誘電体36と内側部分の高誘電体37の二重構造になっていることである。その他の構成は、実施の形態1と同じであるので、同一の符号を付して説明を省略する。
FIG. 14 is a sectional view showing the configuration of a half cell of a trench gate type MISFET according to the second embodiment of the present invention. As shown in FIG. 14, the MISFET according to the second embodiment is different from the first embodiment in that the
外側部分および内側部分の各高誘電体36,37の比誘電率は、シリコン酸化膜(SiO2)よりも高く、好ましくはシリコン窒化膜(Si3N4)よりも高いとよい。例えば、これらの高誘電体36,37として、実施の形態1において例示した各種の物質が挙げられるが、それらに制限されるものではない。また、外側部分および内側部分の各高誘電体36,37のうち、いずれか一方がシリコン酸化膜(SiO2)であってもよい。なお、外側部分の高誘電体36と内側部分の高誘電体37を同じ高誘電体で構成すれば、実施の形態1となる。
The relative dielectric constant of each of the
図14のJ−J’における電界強度分布は、図2に模式的に示す特性図と同様である。実施の形態2においても、高誘電体36,37の少なくとも一方を比誘電率の高い物質にすると、オン抵抗がシリコン極限を下回ることがある。その場合には、特許文献5に開示された半導体装置のようにフィールドプレートを設ける必要がないので、より小型の半導体装置が得られる。また、特許文献4に開示された半導体装置のように、高いゲート駆動電圧を印加する必要もない。
The electric field strength distribution at J-J ′ in FIG. 14 is the same as the characteristic diagram schematically shown in FIG. 2. Also in the second embodiment, when at least one of the
次に、図14に示す構成のMISFETの特性についてシミュレーションを行った結果について説明する。図15は、このシミュレーションに用いたMISFETのハーフセルを示す断面図である。耐圧クラスは、60Vである。 Next, the results of simulation of the characteristics of the MISFET configured as shown in FIG. 14 will be described. FIG. 15 is a cross-sectional view showing a half cell of the MISFET used in this simulation. The breakdown voltage class is 60V.
図15に示すように、基板表面(第1の主面)からpn接合面34までの深さXj1、pn接合面34からnドリフト領域21とn+ドレイン領域25の界面までの深さXj2、nドリフト領域21とn+ドレイン領域25の界面から基板裏面(第2の主面)までの深さ、すなわちn+ドレイン領域25の厚さXjNは、それぞれ、0.8μm、3.1μmおよび6.4μmである。また、第1の主面からトレンチ28の底(外側部分の高誘電体36の最も深い部分)までの深さDtは、10.2μmである。また、ゲート絶縁膜26の厚さは、500オングストロームである。ゲート電極27は、ドープトポリシリコンである。pベース領域22の不純物濃度は、2×1017cm-3である。外側部分の高誘電体36は、シリコン酸化膜(SiO2)である。
As shown in FIG. 15, the depth Xj1 from the substrate surface (first main surface) to the
ここで、トレンチ28を深くした理由は、次の通りである。図16に示すように、トレンチ28を浅くすると、等電位線41,42,43,44,45のうちの空乏層端寄りの等電位線41,42,43が、外側部分の高誘電体36の、トレンチ28の底面の部分でつかえてしまうため、ここで電界集中が起こり、耐圧が低下してしまう。それに対して、図17に示すように、トレンチ28を十分に深くしてn+ドレイン領域25内に伸びるようにすると、空乏層端寄りの等電位線41,42,43が外側部分の高誘電体36の、トレンチ28の底面の部分に到達しないので、電界集中を回避でき、高耐圧を維持することができる。なお、図16および図17は、内側部分の高誘電体37をSrTiO3とした場合のシミュレーション結果である。
Here, the reason why the
図18は、内側部分の高誘電体の比誘電率εrとオン抵抗RonAとの関係のシミュレーション結果を示す特性図である。図18において、特性図を横切る粗い破線は、シリコン極限であり、比誘電率εrが300よりも大きい範囲の細かい破線は、300以下の範囲の線を外挿したものである。なお、図18に示すシミュレーション結果は、nドリフト領域21の濃度を調節して耐圧を60Vに設定したときの結果である。図18と図4の比較から明らかなように、耐圧クラスが60Vである場合のオン抵抗RonAの比誘電率εr依存性には、実施の形態1と同様の傾向が見られる。
FIG. 18 is a characteristic diagram showing a simulation result of the relationship between the relative dielectric constant εr of the high dielectric in the inner portion and the on-resistance RonA. In FIG. 18, a rough broken line across the characteristic diagram is the silicon limit, and a fine broken line in the range where the relative dielectric constant εr is larger than 300 is obtained by extrapolating a line in the range of 300 or less. The simulation results shown in FIG. 18 are results when the withstand voltage is set to 60 V by adjusting the concentration of the
実施の形態2では、内側部分の高誘電体37の比誘電率がおよそ40以上であれば、シリコン極限を下回ることがわかる。従って、この耐圧クラスの場合には、より好ましくは、内側部分の高誘電体37の比誘電率が40以上であるのがよい。例えば、内側部分の高誘電体37として、CoTiO3やSrTiO3やBaTiO3などが適当である。
In the second embodiment, it can be seen that if the relative dielectric constant of the
図19は、内側部分の高誘電体の比誘電率εrとオン抵抗RonAおよび耐圧BVとの関係のシミュレーション結果を示す特性図である。なお、図19に示すシミュレーション結果は、nドリフト領域21の濃度を2×1016cm-3とし、ゲート−ソース間電圧を10Vとし、ドレイン−ソース間電圧を0.1Vに設定したときの結果である(図20〜図27に示すシミュレーション結果においても同じ)。図19と図5の比較から明らかなように、オン抵抗RonAおよび耐圧BVの比誘電率εr依存性には、実施の形態1と同様の傾向が見られる。
FIG. 19 is a characteristic diagram showing a simulation result of the relationship between the relative dielectric constant εr of the high dielectric material in the inner portion, the on-resistance RonA, and the breakdown voltage BV. The simulation results shown in FIG. 19 are the results when the concentration of the
図20は、内側部分の高誘電体の比誘電率εrと電界分布との関係のシミュレーション結果を示す特性図である。なお、図20において、K1、K2およびK3は、それぞれ図15の基板表面(K1)、pベース領域22とnドリフト領域21のpn接合面34(K2)、およびnドリフト領域21とn+ドレイン領域25の界面(K3)に対応している。図20と図6の比較から明らかなように、内側部分の高誘電体37の比誘電率εrと電界分布との関係には、実施の形態1と同様の傾向が見られる。
FIG. 20 is a characteristic diagram showing a simulation result of the relationship between the relative dielectric constant εr of the high dielectric at the inner portion and the electric field distribution. 20, K1, K2, and K3 are the substrate surface (K1) in FIG. 15, the pn junction surface 34 (K2) of the
図21、図22、図23、図24、図25、図26および図27は、それぞれ、内側部分の高誘電体37の比誘電率εrを1、3.9、7、12、40、100および300に設定したときのMISFET内のポテンシャルのシミュレーション結果を示す断面図である。各図は、ソース電極とドレイン電極間に耐圧BVを印加した場合の電位分布を示しており、nドリフト領域21およびpベース領域22において等電位線40の両端が空乏層の両端である。図21〜図27から、内側部分の高誘電体37の比誘電率εrが高くなるのに伴って、空乏層がトレンチ28の深さ方向により広がることがわかる。従って、nドリフト領域21の厚みや濃度が従来と同じであっても、耐圧が向上することがわかる。また、オン状態のときには、ドレイン−ソース間の電位勾配が緩和されて、オン抵抗RonAが低くなることがわかる。
FIGS. 21, 22, 23, 24, 25, 26, and 27 show the relative dielectric constant εr of the
図28は、nドリフト領域の不純物濃度と耐圧BVとの関係のシミュレーション結果を示す特性図である。図28から、内側部分の高誘電体37の比誘電率εrが高くなるのに伴って、耐圧BVがピークとなるnドリフト領域21の不純物濃度が高濃度側へシフトするのがわかる。例えば、内側部分の高誘電体37の比誘電率εrが100である場合には、nドリフト領域21の不純物濃度(以下、ドリフト濃度とする)が0.5×1016cm-3であるときに耐圧BVがピークとなる。それに対して、内側部分の高誘電体37の比誘電率εrが300である場合に耐圧BVがピークとなるのは、ドリフト濃度が2×1016cm-3のときであり、比誘電率εrが100である場合よりも高濃度側へシフトしている。図29は、ドリフト濃度とオン抵抗RonAとの関係のシミュレーション結果を示す特性図である。
FIG. 28 is a characteristic diagram showing a simulation result of the relationship between the impurity concentration of the n drift region and the breakdown voltage BV. From FIG. 28, it can be seen that as the relative dielectric constant εr of the
ここで、耐圧BVがピークをもつメカニズムについて説明する。図30、図31、図32、図33および図34は、それぞれ、内側部分の高誘電体37の比誘電率εrを3.9、12、40、100および300に設定したときのドリフト濃度と電界分布との関係のシミュレーション結果を示す特性図である。以下、耐圧がピークとなるときのドリフト濃度を、耐圧ピーク時濃度と称する。
Here, a mechanism in which the withstand voltage BV has a peak will be described. 30, FIG. 31, FIG. 32, FIG. 33 and FIG. 34 show the drift concentration when the relative dielectric constant εr of the
ドリフト濃度が耐圧ピーク時濃度よりも低い場合、図30〜図34に示すように、ドリフト濃度を高くしていくと、L部の電界強度は、耐圧ピーク値までは、臨界値を保つ。一方、M部の電界強度は、増大する。これは、耐圧を上げる方向に作用する。そして、L部の電界強度の減少による電界分布の面積減よりもM部の電界強度の増大による電界分布の面積増が勝り、それによって、ドリフト濃度を高くするほど耐圧が上昇することになる。ドリフト濃度が耐圧ピーク時濃度よりも高い場合には、L部の電界強度の減少による電界分布の面積減が、M部の電界強度の増大による電界分布の面積増よりも勝るので、耐圧が減少する。さらにドリフト濃度を高くすると、M部の電界強度が臨界に達し、また空乏層もトレンチ28の浅いところで止まるので、ますます耐圧が減少することになる。
When the drift concentration is lower than the withstand voltage peak concentration, as shown in FIGS. 30 to 34, when the drift concentration is increased, the electric field intensity at the L portion maintains a critical value up to the withstand voltage peak value. On the other hand, the electric field strength of the M part increases. This acts in the direction of increasing the breakdown voltage. Then, the area increase of the electric field distribution due to the increase of the electric field intensity of the M part is superior to the area reduction of the electric field distribution due to the decrease of the electric field intensity of the L part, and thereby the breakdown voltage increases as the drift concentration is increased. When the drift concentration is higher than the withstand voltage peak concentration, the area reduction of the electric field distribution due to the decrease in the electric field strength of the L part is superior to the area increase of the electric field distribution due to the increase of the electric field intensity of the M part, and therefore the breakdown voltage is reduced To do. When the drift concentration is further increased, the electric field strength in the M portion reaches a critical level, and the depletion layer also stops at a shallow portion of the
ここで、L部およびM部の電界強度の傾向について説明する。図30〜図34に示すように、内側部分の高誘電体37の比誘電率εrが同じであれば、ドリフト濃度が低いほど、L部の電界強度が高くなる。また、同じドリフト濃度でも内側部分の高誘電体37の比誘電率εrが高いほど、L部の電界強度が高くなる(理由については、後述する)ので、L部の電界強度が臨界値を保つドリフト濃度の限界が高濃度側にシフトする。また、M部の電界強度については、同じドリフト濃度でも内側部分の高誘電体37の比誘電率εrが高いほど、電界強度が低くなる。これは、高誘電体37により電界が緩和されるからである。
Here, the tendency of the electric field strength of the L part and the M part will be described. As shown in FIGS. 30 to 34, if the relative dielectric constant εr of the
以上のことから、内側部分の高誘電体37の比誘電率εrが高いほど、耐圧BVのピークがドリフト濃度の高濃度側にシフトすることになる。また、ドリフト濃度が耐圧ピーク時濃度よりも低い場合には、内側部分の高誘電体37の比誘電率εrが高いほど、耐圧の上昇が著しい。これは、上述したように、比誘電率εrが高いほど、M部の電界強度が低くなるので、臨界電界強度に達するまで耐圧を上げることができるからである。
From the above, as the relative dielectric constant εr of the
ここで、同じドリフト濃度でも内側部分の高誘電体37の比誘電率εrが高いほど、L部の電界強度が高くなる理由について説明する。この説明のために、図22および図27において、内側部分の高誘電体37における空乏層端の等電位線の最大深さをa1とし、基板表面からnドリフト領域21中の空乏層端までの距離をa2とする。図22と図27の比較から明らかなように、内側部分の高誘電体37の比誘電率εrが高い方(図27、比誘電率εr:300)が低い方(図22、比誘電率εr:3.9)よりも、a1とa2の差が大きいことがわかる。
Here, the reason why the electric field strength in the L portion increases as the relative dielectric constant εr of the
図35および図36は、それぞれ、図22および図27の破線で囲んだ部分を拡大して模式的に示す断面図である。図35と図36の比較から明らかなように、内側部分の高誘電体37の比誘電率εrが高い方(図36、比誘電率εr:300)が低い方(図35、比誘電率εr:3.9)よりも、nドリフト領域21と外側部分の高誘電体36の界面での等電位線46,47,48の曲がり具合が大きいことがわかる。そして、図36に示すように、内側部分の高誘電体37の比誘電率εrが高いと、外側部分の高誘電体36において等電位線46,47,48がトレンチ側壁に平行になるため、電界が集中しやすいので、L部の電界強度が高くなる。
FIGS. 35 and 36 are cross-sectional views schematically showing enlarged portions surrounded by broken lines in FIGS. 22 and 27, respectively. As is clear from the comparison between FIG. 35 and FIG. 36, the higher dielectric constant εr of the
実施の形態3.
図37〜図44は、この発明の実施の形態3にかかるトレンチゲート型MISFETの製造方法を示す断面図である。まず、n+ドレイン領域25となるn+基板上に、nドリフト領域21となるn半導体層をエピタキシャル成長させる。続いて、そのエピタキシャル成長層の表面にp型不純物として例えばホウ素をイオン注入し、熱拡散させることにより、pベース領域22となるp半導体層を設ける(図37)。
37 to 44 are cross-sectional views showing a method of manufacturing a trench gate type MISFET according to the third embodiment of the present invention. First, an n semiconductor layer that becomes an
次いで、反応性イオンエッチングにより、p半導体層の表面からn+基板に達するトレンチ28を形成する(図38)。次いで、熱酸化によりトレンチ28の内周面をシリコン酸化膜(SiO2)で覆う(図39)。このシリコン酸化膜は、実施の形態2のMISFETにおいて、外側部分の高誘電体36となる。トレンチ28の内周面をシリコン酸化膜で覆うことにより、トレンチ側壁が化学的に安定する。また、MISFETとして完成した際に、ゲート−ドレイン間容量が低減される。
Next, trenches reaching the n + substrate from the surface of the p semiconductor layer are formed by reactive ion etching (FIG. 38). Next, the inner peripheral surface of the
次いで、高誘電体材料を堆積させることによって、トレンチ28を内側部分の高誘電体37で充填する(図40)。次いで、ドライエッチングにより、外側部分の高誘電体36と内側部分の高誘電体37の上半部を除去する(図41)。次いで、熱酸化を行って、トレンチ28の上半部の側壁面にゲート絶縁膜26を形成する(図42)。次いで、トレンチ28の、ゲート絶縁膜26の内側部分を、高濃度に不純物をドーピングしたポリシリコンで埋め直して、ゲート電極27とする(図43)。
The
最後に、n型不純物およびp型不純物として例えばヒ素およびホウ素をイオン注入し、熱拡散させて、n+ソース領域23とp+コンタクト領域24を設ける。続いて、通常の半導体装置の製造方法と同様な工程により、ソース電極29、層間絶縁膜30およびドレイン電極31を形成し(図44)、図14に示す実施の形態2のMISFETが完成する。なお、図39に示す工程において、外側部分の高誘電体36として、内側部分の高誘電体37と同じ材料を用いれば、図1に示す実施の形態1のMISFETが完成する。
Finally, as an n-type impurity and a p-type impurity, for example, arsenic and boron are ion-implanted and thermally diffused to provide an n + source region 23 and a p + contact region 24. Subsequently, the
実施の形態4.
図45〜図47は、この発明の実施の形態4にかかるトレンチゲート型MISFETの製造方法を示す断面図である。まず、実施の形態3と同様にして、図37〜図39に示す工程を行い、トレンチ28の内周面をシリコン酸化膜(SiO2)で覆う(図39)。次いで、高誘電体材料を堆積させることによって、トレンチ28の下半部を内側部分の高誘電体37で充填する。その際、高誘電体37の堆積を途中で停止し、ゲート電極の形成領域が埋まらないようにする。トレンチ28の上半部、すなわちゲート電極を形成する領域のトレンチ側壁には、外側部分の高誘電体36であるシリコン酸化膜が残っているが、これがゲート絶縁膜26となる(図45)。
45 to 47 are sectional views showing a method of manufacturing a trench gate type MISFET according to the fourth embodiment of the present invention. First, similarly to the third embodiment, the steps shown in FIGS. 37 to 39 are performed to cover the inner peripheral surface of the
次いで、トレンチ28の、ゲート絶縁膜26の内側部分に、内側部分の高誘電体37と同じ材料を充填して、トレンチ28の上半部を埋める。その際、高濃度に不純物をドーピングすることによって、トレンチ28の上半部に埋めた高誘電体37に導電性を付与し、ゲート電極27として機能させる(図46)。このようにすれば、内側部分の高誘電体37とゲート電極27を連続工程で製造できるという利点がある。また、ゲート電極27と内側部分の高誘電体37が一体化し、それらの境界における応力が軽減されるという利点がある。
Next, the inner part of the
最後に、実施の形態3と同様にして、n+ソース領域23、p+コンタクト領域24、ソース電極29、層間絶縁膜30およびドレイン電極31を形成し(図47)、図14に示す実施の形態2のMISFETが完成する。なお、図39に示す工程において、外側部分の高誘電体36として、内側部分の高誘電体37と同じ材料を用いれば、図1に示す実施の形態1のMISFETが完成する。
Finally, n + source region 23, p + contact region 24,
例えば、内側部分の高誘電体37をSrTiO3により形成する場合、ニオブ(Nb)をドーピングしたSrTiO3をゲート電極27として形成できる。
For example, a
以上において本発明は、上述した実施の形態に限らず、種々変更可能である。例えば、実施の形態中に記載した寸法や濃度などは一例であり、本発明はそれらの値に限定されるものではない。また、各実施の形態では第1導電型をn型とし、第2導電型をp型としたが、本発明は第1導電型をp型とし、第2導電型をn型としても同様に成り立つ。また、ゲート電極下の高誘電体領域が複数の材料で形成されていてもよく、その場合、比誘電率が相対的に高い材料の周囲や内側に部分的にシリコン酸化膜のような比誘電率の低い材料が混ざっていてもよい。また、本発明は、MISFETだけでなく、IGBTにも適用可能である。IGBTに適用する場合には、上述した説明において、n+ソース領域23およびn+ドレイン領域25を、それぞれ、n+エミッタ領域およびp+コレクタ領域と読み替えればよい。さらに、ドリフト領域とp+コレクタ領域との間にn+バッファ領域を形成してもよい。 As described above, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made. For example, the dimensions and concentrations described in the embodiments are examples, and the present invention is not limited to these values. In each embodiment, the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type. However, in the present invention, the first conductivity type is p-type and the second conductivity type is n-type. It holds. In addition, the high dielectric region under the gate electrode may be formed of a plurality of materials. In that case, a relative dielectric such as a silicon oxide film is partially provided around or inside the material having a relatively high relative dielectric constant. Low rate materials may be mixed. The present invention is applicable not only to MISFETs but also to IGBTs. When applied to an IGBT, in the above description, the n + source region 23 and the n + drain region 25 may be read as an n + emitter region and a p + collector region, respectively. Further, an n + buffer region may be formed between the drift region and the p + collector region.
以上のように、本発明にかかる半導体装置およびその製造方法は、トレンチゲート構造を有するMIS型半導体装置に有用であり、特に、高耐圧かつ大電流容量が求められるMISFETやIGBTなどのパワー半導体装置に適している。 As described above, the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the present invention are useful for MIS type semiconductor devices having a trench gate structure, and in particular, power semiconductor devices such as MISFETs and IGBTs that require a high breakdown voltage and a large current capacity. Suitable for
21 ドリフト領域
22 ベース領域
23 ソース領域
25 ドレイン領域
26 ゲート絶縁膜
27 ゲート電極
28 トレンチ
33 空乏層の端
35,36,37 高誘電体
21
Claims (19)
第2の主面との間に前記ドリフト領域を挟んで第1の主面側に形成された第2導電型のベース領域と、
前記ベース領域の表面層に形成された第1導電型のソース領域と、
前記第1の主面との間に前記ドリフト領域を挟んで前記第2の主面側に形成された第1導電型のドレイン領域と、
前記ソース領域に接して前記第1の主面から前記ベース領域および前記ドリフト領域を貫通して前記ドレイン領域に達するトレンチと、
前記トレンチ内の、前記ベース領域と前記ドリフト領域との接合面よりも前記第2の主面側に埋め込まれた高誘電体と、
前記トレンチ内の、前記第1の主面と前記高誘電体との間に形成されたゲート絶縁膜およびゲート電極からなる絶縁ゲート構造と、
を備え、
前記高誘電体の比誘電率がシリコン酸化膜よりも大きく、
前記高誘電体の、前記トレンチの内壁面に沿った外側部分の第1の高誘電体と、前記第1の高誘電体よりも内側部分の第2の高誘電体とは異なる比誘電率を有し、
前記ゲート電極と前記高誘電体との接合面は、前記ドリフト領域と前記ドレイン領域との接合面よりも前記第1の主面側に位置することを特徴とする半導体装置。 A drift region of a first conductivity type;
A base region of a second conductivity type formed on the first main surface side with the drift region sandwiched between the second main surface;
A source region of a first conductivity type formed in a surface layer of the base region;
A drain region of a first conductivity type formed on the second main surface side with the drift region interposed between the first main surface and the first main surface;
A trench that contacts the source region and extends from the first main surface through the base region and the drift region to the drain region ;
A high dielectric embedded in the second main surface side of the junction surface between the base region and the drift region in the trench;
An insulated gate structure comprising a gate insulating film and a gate electrode formed between the first main surface and the high dielectric in the trench;
With
The dielectric constant of the high dielectric is larger than that of the silicon oxide film,
The first dielectric having an outer portion along the inner wall surface of the trench and the second dielectric having a dielectric constant different from that of the second dielectric in the inner portion of the first dielectric are different from each other. Yes, and
The semiconductor device according to claim 1, wherein a junction surface between the gate electrode and the high dielectric is located closer to the first main surface than a junction surface between the drift region and the drain region .
第2の主面との間に前記ドリフト領域を挟んで第1の主面側に形成された第2導電型のベース領域と、
前記ベース領域の表面層に形成された第1導電型のソース領域と、
前記第1の主面との間に前記ドリフト領域を挟んで前記第2の主面側に形成された第1導電型のドレイン領域と、
前記ソース領域に接して前記第1の主面から前記ベース領域および前記ドリフト領域を貫通して前記ドレイン領域に達するトレンチと、
前記トレンチ内の、前記ベース領域と前記ドリフト領域との接合面よりも前記第2の主面側に埋め込まれた高誘電体と、
前記トレンチ内の、前記第1の主面と前記高誘電体との間に形成されたゲート絶縁膜およびゲート電極からなる絶縁ゲート構造と、
を備え、
前記高誘電体の比誘電率がシリコン窒化膜よりも大きく、
前記高誘電体の、前記トレンチの内壁面に沿った外側部分の第1の高誘電体と、前記第1の高誘電体よりも内側部分の第2の高誘電体とは異なる比誘電率を有し、
前記ゲート電極と前記高誘電体との接合面は、前記ドリフト領域と前記ドレイン領域との接合面よりも前記第1の主面側に位置することを特徴とする半導体装置。 A drift region of a first conductivity type;
A base region of a second conductivity type formed on the first main surface side with the drift region sandwiched between the second main surface;
A source region of a first conductivity type formed in a surface layer of the base region;
A drain region of a first conductivity type formed on the second main surface side with the drift region interposed between the first main surface and the first main surface;
A trench that contacts the source region and extends from the first main surface through the base region and the drift region to the drain region ;
A high dielectric embedded in the second main surface side of the junction surface between the base region and the drift region in the trench;
An insulated gate structure comprising a gate insulating film and a gate electrode formed between the first main surface and the high dielectric in the trench;
With
The dielectric constant of the high dielectric is larger than that of the silicon nitride film,
The first dielectric having an outer portion along the inner wall surface of the trench and the second dielectric having a dielectric constant different from that of the second dielectric in the inner portion of the first dielectric are different from each other. Yes, and
The semiconductor device according to claim 1, wherein a junction surface between the gate electrode and the high dielectric is located closer to the first main surface than a junction surface between the drift region and the drain region .
第2の主面との間に前記ドリフト領域を挟んで第1の主面側に形成された第2導電型のベース領域と、
前記ベース領域の表面層に形成された第1導電型のエミッタ領域と、
前記第1の主面との間に前記ドリフト領域を挟んで前記第2の主面側に形成された第2導電型のコレクタ領域と、
前記エミッタ領域に接して前記第1の主面から前記ベース領域および前記ドリフト領域を貫通して前記コレクタ領域に達するトレンチと、
前記トレンチ内の、前記ベース領域と前記ドリフト領域との接合面よりも前記第2の主面側に埋め込まれた高誘電体と、
前記トレンチ内の、前記第1の主面と前記高誘電体との間に形成されたゲート絶縁膜およびゲート電極からなる絶縁ゲート構造と、
を備え、
前記高誘電体の比誘電率がシリコン酸化膜よりも大きく、
前記高誘電体の、前記トレンチの内壁面に沿った外側部分の第1の高誘電体と、前記第1の高誘電体よりも内側部分の第2の高誘電体とは異なる比誘電率を有し、
前記ゲート電極と前記高誘電体との接合面は、前記ドリフト領域と前記コレクタ領域との接合面よりも前記第1の主面側に位置することを特徴とする半導体装置。 A drift region of a first conductivity type;
A base region of a second conductivity type formed on the first main surface side with the drift region sandwiched between the second main surface;
An emitter region of a first conductivity type formed in a surface layer of the base region;
A collector region of a second conductivity type formed on the second main surface side with the drift region interposed between the first main surface and the first main surface;
A trench that contacts the emitter region and extends from the first main surface through the base region and the drift region to the collector region ;
A high dielectric embedded in the second main surface side of the junction surface between the base region and the drift region in the trench;
An insulated gate structure comprising a gate insulating film and a gate electrode formed between the first main surface and the high dielectric in the trench;
With
The dielectric constant of the high dielectric is larger than that of the silicon oxide film,
The first dielectric having an outer portion along the inner wall surface of the trench and the second dielectric having a dielectric constant different from that of the second dielectric in the inner portion of the first dielectric are different from each other. Yes, and
The semiconductor device according to claim 1, wherein a junction surface between the gate electrode and the high dielectric is located closer to the first main surface than a junction surface between the drift region and the collector region .
第2の主面との間に前記ドリフト領域を挟んで第1の主面側に形成された第2導電型のベース領域と、
前記ベース領域の表面層に形成された第1導電型のエミッタ領域と、
前記第1の主面との間に前記ドリフト領域を挟んで前記第2の主面側に形成された第2導電型のコレクタ領域と、
前記エミッタ領域に接して前記第1の主面から前記ベース領域および前記ドリフト領域を貫通して前記コレクタ領域に達するトレンチと、
前記トレンチ内の、前記ベース領域と前記ドリフト領域との接合面よりも前記第2の主面側に埋め込まれた高誘電体と、
前記トレンチ内の、前記第1の主面と前記高誘電体との間に形成されたゲート絶縁膜およびゲート電極からなる絶縁ゲート構造と、
を備え、
前記高誘電体の比誘電率がシリコン窒化膜よりも大きく、
前記高誘電体の、前記トレンチの内壁面に沿った外側部分の第1の高誘電体と、前記第1の高誘電体よりも内側部分の第2の高誘電体とは異なる比誘電率を有し、
前記ゲート電極と前記高誘電体との接合面は、前記ドリフト領域と前記コレクタ領域との接合面よりも前記第1の主面側に位置することを特徴とする半導体装置。 A drift region of a first conductivity type;
A base region of a second conductivity type formed on the first main surface side with the drift region sandwiched between the second main surface;
An emitter region of a first conductivity type formed in a surface layer of the base region;
A collector region of a second conductivity type formed on the second main surface side with the drift region interposed between the first main surface and the first main surface;
A trench that contacts the emitter region and extends from the first main surface through the base region and the drift region to the collector region ;
A high dielectric embedded in the second main surface side of the junction surface between the base region and the drift region in the trench;
An insulated gate structure comprising a gate insulating film and a gate electrode formed between the first main surface and the high dielectric in the trench;
With
The dielectric constant of the high dielectric is larger than that of the silicon nitride film,
The first dielectric having an outer portion along the inner wall surface of the trench and the second dielectric having a dielectric constant different from that of the second dielectric in the inner portion of the first dielectric are different from each other. Yes, and
The semiconductor device according to claim 1, wherein a junction surface between the gate electrode and the high dielectric is located closer to the first main surface than a junction surface between the drift region and the collector region .
第2の主面との間に前記ドリフト領域を挟んで第1の主面側に形成された第2導電型のベース領域と、
前記ベース領域の表面層に形成された第1導電型のソース領域と、
前記第1の主面との間に前記ドリフト領域を挟んで前記第2の主面側に形成された第1導電型のドレイン領域と、
前記ソース領域に接して前記第1の主面から前記ベース領域および前記ドリフト領域を貫通して前記ドレイン領域に達するトレンチと、
前記トレンチ内の、前記ベース領域と前記ドリフト領域との接合面よりも前記第2の主面側に埋め込まれた複数の高誘電体と、
前記トレンチ内の、前記第1の主面と前記複数の高誘電体のうちの最も前記第1の主面側の位置に設けられた高誘電体との間に形成されたゲート絶縁膜およびゲート電極からなる絶縁ゲート構造と、
を備え、
前記複数の高誘電体のうちの少なくとも1つの比誘電率がシリコン酸化膜よりも大きく、
前記複数の高誘電体のうち、前記トレンチの内壁面に沿った外側部分の第1の高誘電体と、前記第1の高誘電体よりも内側部分の第2の高誘電体とは異なる比誘電率を有し、
前記ゲート電極と前記複数の高誘電体のうちの最も前記第1の主面側の位置に設けられた高誘電体との接合面は、前記ドリフト領域と前記ドレイン領域との接合面よりも前記第1の主面側に位置することを特徴とする半導体装置。 A drift region of a first conductivity type;
A base region of a second conductivity type formed on the first main surface side with the drift region sandwiched between the second main surface;
A source region of a first conductivity type formed in a surface layer of the base region;
A drain region of a first conductivity type formed on the second main surface side with the drift region interposed between the first main surface and the first main surface;
A trench that contacts the source region and extends from the first main surface through the base region and the drift region to the drain region ;
A plurality of high dielectric materials embedded in the second main surface side of the junction surface between the base region and the drift region in the trench;
A gate insulating film and a gate formed between the first main surface and the high dielectric provided at a position closest to the first main surface among the plurality of high dielectrics in the trench An insulated gate structure comprising electrodes;
With
A relative dielectric constant of at least one of the plurality of high dielectrics is larger than that of the silicon oxide film;
The ratio of the first high dielectric in the outer portion along the inner wall surface of the trench and the second high dielectric in the inner portion of the plurality of high dielectrics are different from each other. It has a dielectric constant,
The junction surface between the gate electrode and the high dielectric provided at the position closest to the first main surface among the plurality of high dielectrics is more than the junction surface between the drift region and the drain region. A semiconductor device which is located on the first main surface side .
第2の主面との間に前記ドリフト領域を挟んで第1の主面側に形成された第2導電型のベース領域と、
前記ベース領域の表面層に形成された第1導電型のソース領域と、
前記第1の主面との間に前記ドリフト領域を挟んで前記第2の主面側に形成された第1導電型のドレイン領域と、
前記ソース領域に接して前記第1の主面から前記ベース領域および前記ドリフト領域を貫通して前記ドレイン領域に達するトレンチと、
前記トレンチ内の、前記ベース領域と前記ドリフト領域との接合面よりも前記第2の主面側に埋め込まれた複数の高誘電体と、
前記トレンチ内の、前記第1の主面と前記複数の高誘電体のうちの最も前記第1の主面側の位置に設けられた高誘電体との間に形成されたゲート絶縁膜およびゲート電極からな
る絶縁ゲート構造と、
を備え、
前記複数の高誘電体のうちの少なくとも1つの比誘電率がシリコン窒化膜よりも大きく、
前記複数の高誘電体のうち、前記トレンチの内壁面に沿った外側部分の第1の高誘電体と、前記第1の高誘電体よりも内側部分の第2の高誘電体とは異なる比誘電率を有し、
前記ゲート電極と前記複数の高誘電体のうちの最も前記第1の主面側の位置に設けられた高誘電体との接合面は、前記ドリフト領域と前記ドレイン領域との接合面よりも前記第1の主面側に位置することを特徴とする半導体装置。 A drift region of a first conductivity type;
A base region of a second conductivity type formed on the first main surface side with the drift region sandwiched between the second main surface;
A source region of a first conductivity type formed in a surface layer of the base region;
A drain region of a first conductivity type formed on the second main surface side with the drift region interposed between the first main surface and the first main surface;
A trench that contacts the source region and extends from the first main surface through the base region and the drift region to the drain region ;
A plurality of high dielectric materials embedded in the second main surface side of the junction surface between the base region and the drift region in the trench;
A gate insulating film and a gate formed between the first main surface and the high dielectric provided at a position closest to the first main surface among the plurality of high dielectrics in the trench An insulated gate structure comprising electrodes;
With
A relative dielectric constant of at least one of the plurality of high dielectrics is larger than that of the silicon nitride film;
The ratio of the first high dielectric in the outer portion along the inner wall surface of the trench and the second high dielectric in the inner portion of the plurality of high dielectrics are different from each other. It has a dielectric constant,
The junction surface between the gate electrode and the high dielectric provided at the position closest to the first main surface among the plurality of high dielectrics is more than the junction surface between the drift region and the drain region. A semiconductor device which is located on the first main surface side .
第2の主面との間に前記ドリフト領域を挟んで第1の主面側に形成された第2導電型のベース領域と、
前記ベース領域の表面層に形成された第1導電型のエミッタ領域と、
前記第1の主面との間に前記ドリフト領域を挟んで前記第2の主面側に形成された第2導電型のコレクタ領域と、
前記エミッタ領域に接して前記第1の主面から前記ベース領域および前記ドリフト領域を貫通して前記コレクタ領域に達するトレンチと、
前記トレンチ内の、前記ベース領域と前記ドリフト領域との接合面よりも前記第2の主面側に埋め込まれた複数の高誘電体と、
前記トレンチ内の、前記第1の主面と前記複数の高誘電体のうちの最も前記第1の主面側の位置に設けられた高誘電体との間に形成されたゲート絶縁膜およびゲート電極からなる絶縁ゲート構造と、
を備え、
前記複数の高誘電体のうちの少なくとも1つの比誘電率がシリコン酸化膜よりも大きく、
前記複数の高誘電体のうち、前記トレンチの内壁面に沿った外側部分の第1の高誘電体と、前記第1の高誘電体よりも内側部分の第2の高誘電体とは異なる比誘電率を有し、
前記ゲート電極と前記複数の高誘電体のうちの最も前記第1の主面側の位置に設けられた高誘電体との接合面は、前記ドリフト領域と前記コレクタ領域との接合面よりも前記第1の主面側に位置することを特徴とする半導体装置。 A drift region of a first conductivity type;
A base region of a second conductivity type formed on the first main surface side with the drift region sandwiched between the second main surface;
An emitter region of a first conductivity type formed in a surface layer of the base region;
A collector region of a second conductivity type formed on the second main surface side with the drift region interposed between the first main surface and the first main surface;
A trench that contacts the emitter region and extends from the first main surface through the base region and the drift region to the collector region ;
A plurality of high dielectric materials embedded in the second main surface side of the junction surface between the base region and the drift region in the trench;
A gate insulating film and a gate formed between the first main surface and the high dielectric provided at a position closest to the first main surface among the plurality of high dielectrics in the trench An insulated gate structure comprising electrodes;
With
A relative dielectric constant of at least one of the plurality of high dielectrics is larger than that of the silicon oxide film;
The ratio of the first high dielectric in the outer portion along the inner wall surface of the trench and the second high dielectric in the inner portion of the plurality of high dielectrics are different from each other. It has a dielectric constant,
The bonding surface between the gate electrode and the high dielectric provided at the position closest to the first main surface among the plurality of high dielectrics is more than the bonding surface between the drift region and the collector region. A semiconductor device which is located on the first main surface side .
第2の主面との間に前記ドリフト領域を挟んで第1の主面側に形成された第2導電型のベース領域と、
前記ベース領域の表面層に形成された第1導電型のエミッタ領域と、
前記第1の主面との間に前記ドリフト領域を挟んで前記第2の主面側に形成された第2導電型のコレクタ領域と、
前記エミッタ領域に接して前記第1の主面から前記ベース領域および前記ドリフト領域を貫通して前記コレクタ領域に達するトレンチと、
前記トレンチ内の、前記ベース領域と前記ドリフト領域との接合面よりも前記第2の主面側に埋め込まれた複数の高誘電体と、
前記トレンチ内の、前記第1の主面と前記複数の高誘電体のうちの最も前記第1の主面側の位置に設けられた高誘電体との間に形成されたゲート絶縁膜およびゲート電極からなる絶縁ゲート構造と、
を備え、
前記複数の高誘電体のうちの少なくとも1つの比誘電率がシリコン窒化膜よりも大きく、
前記複数の高誘電体のうち、前記トレンチの内壁面に沿った外側部分の第1の高誘電体と、前記第1の高誘電体よりも内側部分の第2の高誘電体とは異なる比誘電率を有し、
前記ゲート電極と前記複数の高誘電体のうちの最も前記第1の主面側の位置に設けられた高誘電体との接合面は、前記ドリフト領域と前記コレクタ領域との接合面よりも前記第1の主面側に位置することを特徴とする半導体装置。 A drift region of a first conductivity type;
A base region of a second conductivity type formed on the first main surface side with the drift region sandwiched between the second main surface;
An emitter region of a first conductivity type formed in a surface layer of the base region;
A collector region of a second conductivity type formed on the second main surface side with the drift region interposed between the first main surface and the first main surface;
A trench that contacts the emitter region and extends from the first main surface through the base region and the drift region to the collector region ;
A plurality of high dielectric materials embedded in the second main surface side of the junction surface between the base region and the drift region in the trench;
A gate insulating film and a gate formed between the first main surface and the high dielectric provided at a position closest to the first main surface among the plurality of high dielectrics in the trench An insulated gate structure comprising electrodes;
With
A relative dielectric constant of at least one of the plurality of high dielectrics is larger than that of the silicon nitride film;
The ratio of the first high dielectric in the outer portion along the inner wall surface of the trench and the second high dielectric in the inner portion of the plurality of high dielectrics are different from each other. It has a dielectric constant,
The bonding surface between the gate electrode and the high dielectric provided at the position closest to the first main surface among the plurality of high dielectrics is more than the bonding surface between the drift region and the collector region. A semiconductor device which is located on the first main surface side .
第1導電型のドリフト領域となる第1導電型の第1の半導体層の上に、第2導電型のベース領域となる第2導電型の第2の半導体層が設けられており、該第2の半導体層の表面から該第2の半導体層および前記第1の半導体層を貫通するトレンチを形成するトレンチ形成工程と、
前記トレンチの内壁面を被う第1の高誘電体を形成する第1の高誘電体形成工程と、
前記トレンチ内の、前記第1の高誘電体の内側部分の、前記ベース領域と前記ドリフト領域との接合面よりも前記第2の主面側を第2の高誘電体で埋める第2の高誘電体形成工程と、
前記トレンチ内の、前記第1の高誘電体の内側部分の前記第2の高誘電体上にゲート電極を埋めるゲート電極形成工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1,
A second conductivity type second semiconductor layer serving as a second conductivity type base region is provided on the first conductivity type first semiconductor layer serving as the first conductivity type drift region. from the surface of the second semiconductor layer and the trench forming step of forming a trench that passes transmural the semiconductor layer and the first semiconductor layer of the second,
A first high dielectric formation step of forming a first high dielectric covering the inner wall surface of the trench;
In the trench, a second high dielectric that fills the second main surface side of the inner portion of the first high dielectric with respect to the junction surface between the base region and the drift region with the second high dielectric. A dielectric formation step;
A gate electrode forming step of burying a gate electrode on the second high dielectric in the inner portion of the first high dielectric in the trench;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
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